ветры протопланетных дисков

Космический телескоп JWST навёл объектив на раскалённый каменный мир 55 Рака e — и увидел плотную газовую оболочку. А у более прохладной TRAPPIST-1 b, которая кружит у тусклого красного карлика, оболочки не оказалось: голая скала. Картина вышла перевёрнутой: горячие планеты держат атмосферу, холодные — теряют.

В холодных глубинах космоса плавают камни, которые старше самой Земли. Внутри некоторых из них прячутся крошечные стеклянные шарики — хондры, миллиметровые сферы, застывшие капли расплавленного силикатного вещества. Они образовались, когда вокруг молодого Солнца ещё кружил протопланетный диск из газа и пыли — та самая «колыбель», из которой позже соберутся планеты.

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, истекающий с поверхности Солнца и заполняющий всю гелиосферу. Это не однородный бриз, а турбулентная среда с вихрями, порывами и зонами затишья.

В тёмной кухне молекулярного облака Тельца, в 450 световых годах от нас, готовятся десятки планетных систем. Каждая молодая звезда — это повар, а её протопланетный диск — стол, заваленный мукой-пылью и паром-газом. До сих пор астрономы видели только готовые «блюда» — уже сформированные планеты.

После взрыва сверхновой в центре остаётся компактный объект размером с город — новорождённая нейтронная звезда. Это экстремальное состояние вещества: звезда горячая, сжатая до ядерной плотности и дрожит, как колокол после удара.

Рождение луны — это космическая катастрофа. Две молодые планеты сталкиваются, и облако раскалённых обломков закручивается вокруг уцелевшего мира. Из этого диска, словно из глины на гончарном круге, со временем формируется спутник. Так, вероятно, появилась наша Луна. Но что, если гончарный круг трясёт и дёргает сама звезда? Астрономы исследовали именно этот сценарий.

Диск из газа и пыли вращается вокруг молодой звезды HV Tau C почти ребром к нам. Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в его спектр и заметил свечение горячего молекулярного водорода (H₂) — частиц, состоящих из двух атомов водорода. Оно выдало широкий двусторонний ветер, который бьёт из внутренних областей далеко за пределы диска.

Самый быстрый ветер во Вселенной несётся со скоростью 0,58 скорости света. Расстояние от Земли до Луны он покрывает за две секунды. Этот ветер — не струя из джета, а широкий поток газа, вырывающийся из центра галактики. Не все чёрные дыры работают одинаково: одни порождают такие ураганы, а другие — узкие плазменные лучи. Ответ напоминает зацепление шестерёнок.

Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.

89 миллисекунд. Именно столько длится сход вихревой лавины, которая резко ускоряет вращение пульсара Vela — одного из самых известных «сбойных» пульсаров. Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, рождающиеся в коллапсе сверхновых.

В одной звёздной системе кружатся две команды планет. Одни движутся по аккуратным орбитам, как фигуристы на катке, избегая столкновений. Другие сбиваются в кучу, их траектории пересекаются, и рано или поздно происходит космическая авария — гигантский удар.

Пятнадцать лет наблюдений гамма-телескопа Fermi вскрыли трещину в полу Галактики. Южнее скопления Westerlund 1 — самого массивного молодого звёздного скопления в Млечном Пути — обнаружено протяжённое свечение, совпадающее с полостью в атомарном водороде. Это не просто ещё один пузырь, выдутый ветрами и сверхновыми.

Словно тончайший часовой механизм, многопланетная система чутко реагирует на малейший толчок. И когда звезда в центре этого механизма умирает, сбрасывая оболочку и превращаясь в белый карлик, даже скромный пинок со скоростью 0,75 км/с способен запустить каскад событий, выбрасывающих целые миры в межзвёздную пустоту.

Массивные оттоки газа из активных ядер галактик — ключевой регулятор галактической эволюции. Они выметают межзвёздную среду, глушат звездообразование и диктуют рост сверхмассивных чёрных дыр.

Кастрюля с кипящей кашей на сильном огне: пузыри выносят крупинки со дна на поверхность. Похожий механизм работает и на нейтронной звезде. Накапливая водород и гелий от соседней звезды, она время от времени устраивает мощный ядерный взрыв — рентгеновскую вспышку.

Кастрюлю с кипящим супом сильно трясут — и жидкость в ней плещется, волны бьются о стенки. Примерно то же самое происходит внутри газовой планеты, когда она по вытянутой орбите пролетает рядом со звездой. Гравитация звезды возбуждает в планете мощные внутренние волны — их называют приливными фундаментальными модами. Эти волны могут полностью изменить судьбу планеты.

Огромный город каждую ночь зажигает новые фонари. Но однажды налетает ураган, срывает со складов всё топливо, и фонари гаснут один за другим. Нечто похожее астрономы разглядели в галактике, свет от которой шёл к нам 12,5 миллиардов лет. Это массивная система, где звёзды рождались с бешеной скоростью — и тут же запускали механизм собственного уничтожения. В центре сюжета — галактический ветер.

В 460 световых годах от нас, вокруг звезды HD 135344B, кружит плотный газопылевой диск. Он похож на гигантскую грампластинку, которую кто-то надломил: в диске зияет разрыв, а через него, словно тонкий мост, тянется пылевая нить. Рядом с этой нитью в рассеянном свете заметна закрутка — изгиб спирального рукава, будто его на мгновение придержали, а потом отпустили.

Густая похлёбка медленно остывает в кастрюле. Внезапно огонь под ней вспыхивает, и похлёбка начинает бурлить, разбиваясь на множество маленьких водоворотов. Примерно так же ведёт себя диск из газа и пыли вокруг молодой звезды, когда та переживает вспышку — резкий приток вещества из диска на звезду.

Парадокс молодого солнечного ветра долго не давал покоя гелиофизикам. Измерения показали: вблизи светила протонные пучки не размыты, а сжаты, словно кто-то аккуратно придал им форму головки молотка.

Когда телескоп ловит свет далёкого белого карлика, спектрограф иногда вылавливает тяжёлые элементы — кальций, железо, магний. Эти металлы не могли удержаться в тонкой атмосфере останка звезды; они — след недавно упавших планетных обломков.

В оркестре каждый музыкант играет свою партию, но в определённый момент все инструменты замирают на одной ноте. Примерно так ведут себя космические лучи — частицы, летящие к нам от далёких звёзд.

Чёрная дыра разрывает звезду, и мы видим ослепительную вспышку. А через пару лет, когда все уже забыли, радиотелескопы вдруг ловят новый сигнал — словно эхо из прошлого. До сих пор было неясно, почему приливное разрушение звезды (когда дыра растаскивает её своими приливными силами) иногда «молчит» в радио, а потом внезапно «загорается».

Космический учёт дал сбой. Бухгалтер сводит баланс: в одной колонке — все планеты, которые астрономы насчитали в Галактике, в другой — запасы строительного материала в пылевых коконах новорождённых звёзд. Цифры не бьются. Даже если собрать всю пыль до последней крупинки и слепить из неё планеты, материала не хватит.

Кастрюля с кипящей кашей, где вместо крупы — слои кислорода и кремния, а огонь под ней вот-вот погаснет, и звезда схлопнется сама в себя. До сих пор повара-астрофизики пользовались упрощённым рецептом: считали, что пузыри и завихрения в каше подчиняются одной и той же средней температуре по всей глубине. Но реальная каша оказалась капризнее.

В городском парке деревья растут быстрее, чем в глухом лесу. Не потому, что почва лучше, а потому, что здесь чаще сталкиваются ветвями и обмениваются семенами. Примерно так же ведут себя галактики в протоскоплении Паутина — огромном сгустке материи, который через миллиарды лет станет зрелым скоплением.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно сжимается — коллапсирует, порождая чёрную дыру, окружённую аккреционным диском из раскалённой плазмы. Чтобы из этого диска вырвались узкие релятивистские струи — джеты, необходимо крупномасштабное упорядоченное магнитное поле.

Первую экзопланету — мир за пределами Солнечной системы — открыли у крайне необычного космического маяка: нейтронной звезды, проявляющей себя как пульсар экзопланета нейтронная звезда. Нейтронные звёзды — это сверхплотные остатки погибших светил, сжатые до поперечника в десяток километров.

Огромный вращающийся блин из газа и пыли окружает молодую звезду. В таком «родильном доме» для планет часто видят кольца и промежутки — будто невидимый плуг прочертил борозды. Обычно их связывают с уже сформировавшимися планетами, которые своей гравитацией расчищают дорожки.

Юла, которая вращается и при этом слегка покачивается, — примерно так, по мнению астрономов, ведёт себя нейтронная звезда в двойной системе Геркулес X-1. Полный оборот вокруг своей оси она делает за секунду, но её ось медленно описывает конус с периодом в 35 дней.

Планета WASP-121 b всегда повёрнута к своей звезде одним боком, как камень в костре. Дневная сторона раскалена до того, что привычный водород — тот самый, из которого состоит большая часть Вселенной — не выдерживает: его молекулы разрываются на отдельные атомы, а температура скачет вверх ногами: чем выше, тем горячее.

Хондры похожи на застывшие капли дождя из камня. Они размером с песчинку, но в них записана история первых миллионов лет Солнечной системы. Когда-то эти капли плавали в раскалённом газе вокруг молодого Солнца, а потом слиплись в астероиды и упали на Землю метеоритами.

Вокруг красных карликов — маленьких, относительно холодных, но крайне активных звёзд — часто обращаются экзопланеты размером с Землю. Такая звезда напоминает неуправляемую плиту, которая то и дело извергает вспышки: мощные потоки излучения и заряженных частиц обрушиваются на атмосферу планеты, словно в кастрюлю с бульоном плеснули огня.

Молодая звезда окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — как тесто для пиццы, которое раскрутили. Внутри такого диска рождаются планеты. Но у трёх звёзд — Elias 2-24, IM Lup и DM Tau — астрономы заметили нечто странное: далеко за краем яркого диска тянется еле различимое, но огромное пылевое гало.

Солнечный ветер — не ровный поток, а скорее порывистый. Внутри него протоны и ядра гелия летят не с одной скоростью, а с разбросом, как капли в струе из шланга. Обычно этот разброс описывают простой колоколообразной кривой.

В диске из газа и пыли вокруг молодой звезды частицы пыли ведут себя как песчинки в потоке воды: газ течёт быстрее, пыль отстаёт, и между ними возникает трение. Это трение способно раскачивать магнитные волны, которые бегут по диску. Галактика полна таких дисков — именно в них рождаются планеты.

Вокруг молодых звёзд кружатся плоские облака из газа и пыли — как тесто для пиццы, из которого со временем слепятся планеты. В этом облаке есть разные химические элементы, и сера — один из самых капризных: её трудно поймать телескопами, потому что она прячется в твёрдых крупинках или улетает в виде газа.

Новорождённая звезда похожа на кухонный миксер: она взбивает окружающее облако, и во все стороны летят брызги. Только вместо теста — газ и пыль. Раньше астрономы видели лишь газовые струи, а пыль считали слишком хрупкой: ударная волна должна разбивать пылинки на атомы.

В холодных облаках межзвёздного газа тянутся длинные плотные нити. В них, как в переполненных инкубаторах, зреют будущие звёзды. Долгое время считалось, что внутри таких нитей всё подчинено гравитации: вещество плавно стекается к центрам, где плотность растёт и в конце концов вспыхивает звезда. Но новые наблюдения показывают иную картину.

Молодые планетные системы похожи на оркестр, который только что начал репетицию: все музыканты стараются играть в одном ритме. Астрономы, наблюдая за ними через телескоп TESS, заметили, что планеты у молодых звёзд часто движутся синхронно — их орбиты выстроены так, что на каждые два оборота одной планеты приходится ровно один оборот другой.